Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun teollisen puurakentamisen laboratorio
XAMKin teollisen puurakentamisen laboratorio tuottaa rakenteiden kehittämis- ja testauspalveluita teollisessa mittakaavassa. Tammikuussa 2024 käyttöön otettu laboratorio toimii tärkeänä yhteistyökumppanina rakennusteollisuuden yrityksille sekä tutkimus- ja kehityshankkeille.
Savonlinnan seudulla ja koko Itä-Suomessa voimme olla ylpeitä tästä merkittävästä osaamiskeskittymästä, joka mahdollistaa uusien puurakenteiden ja hybridiratkaisujen tutkimuksen ja kehittämisen teollisessa mittakaavassa.
Tässä asiakastarinassa kerromme PuuHyVä-hankkeeseen liittyvästä projektista, jossa Mertala Innovations vastasi testausjärjestelmän keskeisen komponentin – teräksisen kuormituspalkin – rakennesuunnittelusta ja lujuuslaskennasta. Palkkia käytetään muun muassa välipohjarakenteissa hyödynnettävien hybridirakenteiden testauksessa.
Testauslaitteistossa rakenteeseen voidaan kohdistaa palkin kautta jopa 1000 kN kuormitus. Mertala Innovations toteutti projektissa:
- Kuormituspalkin rakennesuunnittelu
- Lujuuslaskenta
- Tuentaratkaisujen mekaniikkasuunnittelu
- Kokonaisuuden integrointi testausjärjestelmään
- 3D-mallit ja valmistuksen tekniset piirustukset
Palkin mitoituksen lähtötiedot
Kuormituskehässä on kaksi hydraulisylinteriä, jotka tuottavat kumpikin 500 kN puristavan voiman. Sylinterien keskinäinen etäisyys voi olla enimmillään 12 metriä, mikä asetti suunnittelulle merkittäviä rakenteellisia vaatimuksia.
Palkin mitoituksessa tarkasteltiin kolmea keskeistä kuormitustapausta:
1. 1000 kN pistemäinen kuorma
2. Kaksi 500 kN pistekuormaa
3. Jatkuva 556 kN/m kuorma 1800 mm matkalle
Rakenteen lujuuslaskenta toteutettiin yhdistämällä analyyttisiä laskentamenetelmiä sekä elementtimenetelmää (FEM) rakenteen tarkempaan simulointiin, joiden avulla varmistettiin rakenteen turvallinen toiminta kaikissa tarkastelluissa kuormitustilanteissa.
Testausjärjestelmä
Palkin kiepahduksen estämiseksi ja poikittaista tuentaa varten järjestelmään suunniteltiin erilliset H-frame-runkorakenteet, jotka kiinnitetään olemassa oleviin kuormituskehärakenteisiin.
Testausjärjestelmä koostuu kahdesta kuormituskehästä, joissa kummassakin on yksi kaksitoiminen hydraulisylinteri. Sylinterien männänvarret on kiinnitetty palkkiin nivelkiinnikkeillä.
Testikappaleiden & henkilöstön vapaa liikkuminen lattiatasolla mahdollistettiin suunnittelemalla jousipakkamekanismit, joiden avulla testauksessa syntyvät toissijaiset aksiaalikuormat saadaan välitettyä teräsrakenteisiin hallitusti kaikissa hydraulisylinterien asennoissa. Käytännön hyötyjen lisäksi jousipakkaratkaisulla saatiin yksinkertaistettua palkin tuentarakenteita selvästi.
- Taipumia
- Murtolujuutta
- Dynaamista käyttäytymistä
Laaja testausala & kehien kuormituskyky mahdollistaa rakenteiden mekaanisen käyttäytymisen monipuolisen testauksen ja analysoinnin muun muassa erilaisille seinä-, lattia- ja kattorakenteille.
Suunnittelun tavoitteet
Suunnittelulle asetettiin neljä keskeistä tavoitetta:
- Riittävä lujuus
- Hyvä käytettävyys
- Valmistettavuus
- Materiaalin käytön optimointi
Suurten testauskuormien vuoksi rakenteen kestävyys oli yksi tärkeimmistä suunnittelukriteereistä. Palkin muoto ja mitat valittiin alustavasti analyyttisiin laskelmiin pohjautuen, hyödyntäen poikkileikkausluokkiin perustuvaa palkin mittojen optimointia. Tämän jälkeen palkin kestävyys & pakallisien vahvistuksien tarve saatiin tehokkaasti ratkaistua elementtimenetelmällä. Kuorielementteillä mallinnetun palkkirakenteen analysointi mahdollisti myös palkin stabiliteetin tarkan analysoinnin.
Elementtianalyysin avulla saatiin ratkaistua tarkemmat numeeriset arvot sekä väsymisen kannalta kriittisimmiksi tunnistetuille kohdille että eri lommahdus & nurjahdusmuotojen kuormituskertoimille kuin mikä on mahdollista puhtaasti analyyttisin menetelmin. Rakenteen mitoituksessa hyödynnettiin soveltuvin osin Eurocode standardeja.
Laboratoriossa tutkimusinsinöörinä työskentelevä Ari Mielo oli tyytyväinen lopulliseen tuentaratkaisuun:
”Palkin alapuolinen osa jää vapaaksi, ja testattavat rakenteet on helppo asentaa ja purkaa.”
Myös Xamkin Niko Kinnunen kiitti ratkaisun toimivuutta:
”Hyvin suunnitellun kokonaisuuden ansiosta palkin asennus saatiin vietyä läpi odotettua paremmin ja nopeammin.”
Valmistettavuus ja hitsaussuunnittelu
Koska kyseessä on suuri ja runsaasti hitsausta sisältävä teräsrakenne, hitsien mitoitus oli keskeinen osa suunnittelua. Hitsausten mitoitus vaikuttaa suoraan muun muassa:
- Valmistuksen työaikaan
- Hitsauslisäaineiden määrään
- Hitsauksen aikana syntyviin muodonmuutoksiin
Esimerkiksi kuormitusperusteilla kiinnityshitsien mitoituksella saavutettiin merkittäviä säästöjä palkin pitkittäisissä hitsaussamoissa (60 % säästö eli 20.8 kg hitsauslisäainetta). Hitsienmitoituksen lisäksi myös hitsausjärjestys suunniteltiin tarkasti. Hitsausjärjestys esitettiin valmistuspiirustuksissa, jotta valmistusprosessi olisi mahdollisimman hallittu ja tehokas.
Materiaalinkäytön optimointi
Vaikka materiaalin optimointi ei ollut projektin ensisijainen tavoite, huolellisesti toteutettu lujuuslaskenta sekä suunnittelun iterointikierrokset mahdollistivat merkittävän materiaalitehokkuuden parantamisen.
Laboratoriopäällikkö Fanny Malmstedt toteaa:
”Palkin painoa saatiin laskennan avulla vähennettyä lähes 45 % alkuperäisestä arviosta. Tämän kokoisessa rakenteessa optimoinnilla saavutettiin merkittäviä kustannushyötyjä.”
Projektin tulokset
Projektin lopputuloksena syntyi testausjärjestelmään integroitu kuormituspalkki, joka täyttää sekä tutkimuskäytön että teollisen mittakaavan testauksen vaatimukset. Keskeiset saavutukset:
- Jopa 1000 kN testauskuormien mahdollistava rakenne
- Rakenteen massa –45 % alkuperäisestä arviosta
- Testattavien rakenteiden nopea asennus ja purku tyhjäksi jääneellä lattiatasolla
- Valmistuksen kannalta optimoitu teräsrakenne
- Luotettava ja turvallinen testausratkaisu tutkimusympäristöön